Сенсорные системы, 2023, T. 37, № 1, стр. 3-16

Биофизическая модель компасной магниторецепции

Наиболее детально разработанной концепцией биофизического механизма работы сенсорной системы, лежащей в основе магнитного компасного чувства птиц, является модель радикальных пар, предполагающая наличие химического магниторецептора на основе обратимых бирадикальных реакций (Hore, Mouritsen, 2016). Два важных свойства магнитного компаса птиц, известных из поведенческих экспериментов, – его инклинационность и светозависимость, указывают на эту возможность (Wiltschko, Wiltschko, 1972; 1995; 1999; 2001). Важными вопросами для построения адекватной модели магниторецепции представляются идентификация молекулы-рецептора, а также типа или типов магниточувствительных клеток, участвующих в формировании сигнала. Наиболее очевидными кандидатами на роль рецепторной молекулы являются белки семейства криптохромов, которые характеризуются способностью формировать радикальные пары.

Гипотеза, согласно которой в основе магниточувствительных рецепторов могут лежать химические реакции, была выдвинута в конце 1970–1980-х гг. (Schulten et al., 1978; Schulten, 1982; Schulten, Windemuth, 1986). До начала XXI века эта гипотеза не привлекала внимания биологов, так как была весьма абстрактной и не предлагала физиологически правдоподобных механизмов восприятия и передачи магнитной информации в живых организмах. В 2000 г. на основе этих идей была сформулирована модель радикальных пар (Ritz et al., 2000), которая исходит из того, что птицы могут использовать в качестве магниторецепторов светочувствительные молекулы криптохромов. Была высказана гипотеза, что криптохромы расположены в клетках сетчатки глаза птиц, и что они подвергаются фотоокислению в результате абсорбции фотонов, обладающих определенной энергией. Модель радикальных пар объясняет вышеупомянутые поведенческие результаты следующим образом: только фотоны с определенной энергией (т.е. соответствующие определенной длине световой волны) могут индуцировать перенос электрона от молекулы криптохрома к рецептору (которым, вероятнее всего, является кофактор криптохрома – флавинадениндинуклеотид, ФАД). В результате образуется пара молекул с неспаренными электронами, состоящая из донора-криптохрома и его партнера-акцептора. Эта радикальная пара существует от нескольких наносекунд до нескольких миллисекунд и в итоге либо рекомбинирует, либо распадается на более энергетически устойчивые продукты реакции. Относительные вероятности распада или рекомбинации радикальной пары определяются соотношением времени ее жизни и скоростью обратимой реакции интерконверсии продуктов, зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и его ориентации по отношению к магнитной оси пары. Благодаря этому пропорция разных продуктов такой реакции меняется в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля.

Авторы модели радикальных пар предположили, что молекулы криптохромов должны быть упорядочены так, чтобы движение радикальных пар было ограничено, например, за счет прикрепления к элементам цитоскелета или клеточных мембран (Ritz et al., 2000). Сетчатка глаза хорошо подходит на роль ткани, где происходят эти процессы, так как мембранные диски фоторецепторных клеток имеют упорядоченную ориентацию. Каким образом могут птицы воспринимать магнитное поле посредством радикальных пар? Было высказано предположение, что разные продукты бирадикальной реакции посредством биохимического каскада могут по-разному модулировать чувствительность фоторецепторов (Ritz et al., 2000). Можно представить, что один тип продуктов радикальной пары будет приводить к ингибированию зрительной информации, а другой – к усилению (или наоборот). В результате этой модуляции нейронного сигнала в разных частях сетчатки чувствительность фоторецепторов будет разной в зависимости от ориентации (и, соответственно, положения в сетчатке) содержащего криптохром фоторецептора к вектору магнитного поля. В результате птица может буквально “видеть” магнитное поле, т.е. воспринимать его в качестве зрительного образа (например, затемненное или, наоборот, беловатое прозрачное пятно), наложенного на обычную зрительную картину мира.

Следует отметить, что модель радикальных пар не объясняет все имеющиеся экспериментальные факты. Так, надежно установлено, что работа магнитного компаса птиц нарушается очень слабыми переменными магнитными полями в мегагерцовом диапазоне. В настоящее время есть данные об эффекте переменных магнитных полей с частотами от 0.4 до 85 МГц (Ritz et al., 2004; Thalau et al., 2005; Ritz et al., 2009; Engels et al., 2014; Pakhomov et al., 2017; Kobylkov et al., 2019; Leberecht et al., 2022), причем амплитуда колебаний более чем на три порядка ниже, чем интенсивность статического геомагнитного поля, и составляет десятки и даже единицы нанотесла. Этот эффект качественно объясняется в рамках модели радикальных пар как результат спинового резонанса электронов, формирующих радикальную пару (Hiscock et al., 2017). Однако удовлетворительного количественного объяснения данного явления до сих пор получить не удается: в эксперименте магнитная компасная ориентация птиц нарушается переменными магнитными полями с амплитудой на два порядка меньшей, чем предполагает теоретическая модель (Kavokin, 2009). Возможно, существует какой-то механизм усиления сигнала, который приводит к такому эффекту (Hiscock et al., 2017), но в настоящее время никакой модели такого внутреннего усилителя не предложено (Kavokin, 2009).

Криптохромы как магниторецепторные молекулы в сетчатке глаза

Криптохромы представляют собой обширное семейство флавопротеидов, поглощающих свет преимущественно в синей области спектра, содержащих флавин в качестве кофактора и имеющих массу от 50 до 70 кДа. Способность абсорбировать свет определяется наличием флавина (в форме ФАД) и птерина. В свое время криптохромы были предложены на роль магниточувствительных молекул (Ritz et al., 2000), так как данные белки представляют собой единственный известный класс молекул у позвоночных, которые способны формировать радикальные пары после поглощения фотонов. Следует, однако, отметить, что чувствительность к геомагнитному полю требует весьма долгих времен жизни радикальной пары, не менее десяти микросекунд, в то время как в экспериментах in vitro криптохромы мигрирующих птиц не демонстрируют времен, превышающих сотни наносекунд (Xu et al., 2021). Впрочем, это может объясняться отсутствием специфических условий, в которых криптохромы существуют внутри магниторецепторной клетки.

Криптохромы встречаются в клетках высших растений и животных, и разные их классы выполняют различные биологические функции (Chaves et al., 2011). В организме животных встречаются криптохромы дрозофилового типа (I тип), которые представляют собой фотопигменты, участвующие в синхронизации циркадных ритмов с освещением в окружающей среде напрямую, криптохромы типа тех, что найдены у млекопитающих (mammalian-like CRYs, II тип), которые способны синхронизировать циркадные ритмы опосредованным путем и выполнять ряд других функций (Michael et al., 2017), а также недавно открытый криптохром IV типа, который был обнаружен у птиц, амфибий, рыб и рептилий (Zoltowski et al., 2019). Из перечисленных типов к настоящему времени в сетчатке птиц известно об экспрессии шести разных изоформ криптохромов (Cry1a, Cry1b, Cry2a, Cry2b, Cry4a и Cry4b). Целый ряд работ в последние годы был посвящен изучению локализации перечисленных изоформ криптохромов в специфических типах клеток сетчатки, и даже в отдельных компартментах клеток, а также связи профиля их экспрессии с сезонными и суточными ритмами. В зависимости от получаемых результатов разные группы исследователей склонялись в пользу участия того или иного типа криптохромов в механизме магнитного компаса птиц.

Следует отметить, что сама по себе задача надежного иммуногистохимического определения селективной экспрессии разных типов и изоформ криптохромов в сетчатке птиц является методически сложной. Для этого научным группам, работающим в этом направлении, пришлось пройти путь по расшифровке последовательностей таких изоформ и созданию селективных антител к каждой из них (Günther et al., 2018). Профиль и характер экспрессии некоторых типов и изоформ криптохромов в сетчатке птиц делают их маловероятными кандидатами на роль ключевой молекулы в механизме магнитного компаса. Так, Cry2 в сетчатках зарянок Erithacus rubecula, голубей и куриц обнаруживается во внутренних сегментах фоторецепторов, наружном и внутреннем ядерных слоях в ганглиозных клетках, а в плане субклеточной локализации – в цитоплазме и в ядрах клеток, формирующих указанные слои (Einwich et al., 2022). По мнению авторов данного исследования, экспрессия в ядрах свидетельствует в пользу участия Cry2 в регуляции суточных ритмов у птиц, а не в пользу вовлечения в процесс магниторецепции. Исследования интерактома Cry2 в сетчатке сизого голубя подтверждают эту гипотезу, поскольку основными мишенями для взаимодействия с ним оказались белки, вовлеченные в регуляцию циркадных ритмов (PER2, CLOCK и ARNTL, Balay et al., 2021).

До недавнего времени многообещающим кандидатом на роль магниторецепторной молекулы считалась изоформа Cry1a. Этот криптохром был обнаружен в ультрафиолет (УФ)-чувствительных колбочках сетчатки курицы и зарянки (Nießner et al., 2011). В работах данной группы утверждалось, что характер распределения этого криптохрома в колбочках указывает на индуцируемые светом конформационные изменения: в сетчатке у птиц, которых освещали светом полного спектра или в диапазоне от 373 до 590 нм (т.е. от УФ до зеленого света) перед приготовлением препаратов, Cry1a и опсин УФ-чувствительных колбочек были колокализованы, а у птиц, освещаемых красным светом или выдерживаемых в темноте, Cry1a в тех же компартментах не определялся (Nießner et al., 2011; 2014). Однако другим исследователям в сетчатках курицы, сизого голубя, зарянки (Bolte et al., 2021), а также зебровой амадины (Pinzon-Rodriguez, Muheim, 2021) данный результат воспроизвести не удалось.

Ряд авторов считают более вероятным кандидатом на роль магниторецепторной молекулы Cry4a (Günther et al., 2018; Görtemaker et al., 2022). У зарянок, которые являются классическим объектом для исследований магниторецепции (Wiltschko, Wiltschko, 1972) и у которых существование магнитной компасной системы было многократно независимо подтверждено в поведенческих экспериментах, Cry4 был колокализован с красночувствительным зрительным пигментом, что свидетельствует о его экспрессии в наружных сегментах двойных колбочек и, возможно, красночувствительных одиночных колбочек (Günther et al., 2018). Известно, что изоформа Cry4a, обнаруженная у зарянок, показывает значительно более выраженную реакцию на изменения магнитного поля, чем Cry4 домашней курицы и сизого голубя (Xu et al., 2021).

Взаимодействие криптохромов с участниками каскада фототрансдукции

Важнейшим пунктом в рассмотрении вопроса о том, как может работать магниторецепторная сенсорная система в сетчатке птиц, является поиск сигнальных путей, через которые первичная воспринимающая молекула (криптохром или другой кандидат) могла бы передать сигнал об изменении магнитного поля. В последние несколько лет одно за другим появились два сообщения об исследованиях, выполненных коллективом автором под руководством К.-В. Коха и Х. Моуритсена (Wu et al., 2020, Görtemaker et al., 2022) и показывающих возможность взаимодействия Cry4 с белками-участниками каскада фототрансдукции непосредственно в фоторецепторных клетках птиц.

Лежащий в основе зрительного восприятия каскад фототрансдукции обеспечивает преобразование энергии фотонов в электрический сигнал. Это многоступенчатый каскад реакций, основными участниками которого являются зрительный пигмент, возбуждаемый фотоном, G-белок трансдуцин, передающий сигнал от зрительного пигмента к эффекторному ферменту, и сам эффекторный фермент – фосфодиэстераза (ФДЭ), снижающий внутриклеточную концентрацию циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) и приводящий тем самым к закрытию ионных каналов плазматической мембраны фоторецептора (Pugh, Lamb, 2000; Arshavsky, Burns, 2014).

В первой из двух перечисленных работ (Wu et al., 2020) авторами была разработана дрожжевая двухгибридная система, в которой выявлялись потенциальные молекулярные партнеры по взаимодействию для Cry4 зарянки. На первом этапе скрининга был определен широкий круг кандидатов, а на втором этапе круг был сужен до шести наиболее многообещающих кандидатов: красночувствительный опсин колбочек (LWS); альфа-субъединица G белка трансдуцина-2 (GNAT2); гамма-субъединица G-белка-10 (GNG10); 2-й член подсемейства калиевых потенциал-зависимых каналов V (KCNV2); ретинол-связывающий белок 1 (RBP1) и G-белок-сопряженный рецептор ретиналя (RGR). На основании указанных шести мишеней взаимодействия авторы предложили гипотетические пути встраивания сигнала с Cry4 в пути зрительной трансдукции; так, по их мнению, в случае взаимодействия Cry4 с опсином красночувствительных колбочек, в данном типе фоторецепторов каскад фототрансдукции мог бы запускаться в ответ на магнитный стимул, начиная с первого его звена. В качестве альтернативы, при взаимодействии с Cry4 с альфа-субъединицей G-белка каскад фототрансдукции может активироваться, начиная со второго его этапа, а взаимодействие Cry4 с калиевыми потенциал-зависимыми каналами позволило бы ему напрямую менять мембранный потенциал фоторецепторной клетки.

Поскольку GNAT2 и GNG10, определенные в качестве партнеров по взаимодействию с Cry4 в исследовании (Wu et al., 2020), являются колбочко-специфичными ортологами субъединиц гетеротримерного G-белка трансдуцина, который опосредует фототрансдукцию в фоторецепторах позвоночных, второе из перечисленных исследований той же группы (Görtemaker et al., 2022) было посвящено более глубокому изучению потенциального взаимодействия Cry4a с GNAT2 зарянки на молекулярном уровне. При помощи биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса авторы проанализировали процесс белок-белкового взаимодействия и его кинетические параметры, и дополнительно наличие такого взаимодействия in vitro было подтверждено в эксперименте с аффинным осаждением. Кроме того, в этой же работе наличие взаимодействия между Cry4a зарянки и альфа-субъединицы G-белка трансдуцина-2 дополнительно было показано в культуре нейроретинальных клеток птиц при помощи метода резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET). Хотя возможность такого взаимодействия непосредственно в колбочках птиц еще не была проверена, данные наблюдения кажутся нам весьма многообещающими для выяснения сигнального пути, лежащего в основе магнитного компаса птиц.

Особенности строения сетчатки птиц

Среди позвоночных птицы обладают наиболее высокоразвитой зрительной системой, а их сетчатка имеет ряд существенных отличий от сетчатки млекопитающих. В первую очередь она характеризуется аваскуляризацией – отсутствием сосудистой системы, пронизывающей внутренние слои нейронов (Willis, Wilkie, 1999). Трофическая функция обеспечивается пигментным эпителием, а также гребнем – складчатой структурой, берущей начало от зрительного нерва (область слепого пятна) и тянущейся к периферии сетчатки (Wingstrand, Munk, 1965; Jasiński, 1973). Нервные клетки сетчатки птиц (биполярные, горизонтальные, амакриновые и ганглиозные клетки) также имеют ряд адаптаций к отсутствию прямого контакта с сосудистой системой, как, например, специфические отростки, связывающие их с мюллеровскими глиальными клетками (Quesada, Génis-Gálvez, 1985). Как и у других позвоночных, эти нейроны образуют слоистую структуру, однако, плотность клеток, а также степень разветвленности их отростков, в особенности во внутренних слоях, отвечающих за предварительную обработку зрительного сигнала, очень велика, что свидетельствует о комплексности выполняемой ими задачи (Seifert et al., 2020).

Светочувствительные клетки сетчатки птиц – фоторецепторы, как и у других позвоночных, подразделяются на палочки и колбочки. В сетчатке подавляющего большинства видов птиц обнаружено пять типов колбочек: ультрафиолет-, сине-, зелено- и красночувствительные различаются за счет экспрессии разных зрительных пигментов, а дополнительный тип – двойные колбочки, – содержат красночувствительный пигмент и представляют собой две рецепторные клетки, электрически связанные друг с другом (Hart, 2001). Таким образом, птицы обладают тетрахроматическим цветовым зрением, различая гораздо больше оттенков (и в более широком спектральном диапазоне), чем большинство других позвоночных. Более того, колбочки птиц содержат особые структуры – “масляные капли” – бесцветные или окрашенные образования сферической формы, содержащие молекулы каротиноидов, растворенные в липидных каплях (Toomey, Corbo, 2017). Показано, что бесцветные капли выступают, главным образом, в роли светофокусирующих структур, собирая падающий свет на небольшом светочувствительном сегменте, в то время как окрашенные выступают в роли селективных светофильтров, снижая степень перекрытия спектров чувствительности разных типов колбочек (Wilby, Roberts, 2017). Масляные капли обнаруживаются и у других позвоночных, однако именно у птиц они достигают наибольшего разнообразия, благодаря чему образуется набор высокоселективных светоприемников, охватывающих видимый диапазон и ближнюю ультрафиолетовую часть спектра (Kelber, 2019; Baden, Osorio, 2019).

Некоторые исследователи предполагают, что фоторецепторы птиц также способны к различению поляризации падающего света, однако, их специфическая морфология такова, что трудно представить, как это может быть реализовано. Дипольные моменты молекул зрительных пигментов лежат хаотично, диффундируя в плоскости клеточных мембран, но всегда перпендикулярно к оси клетки/направлению естественно падающего света, что теоретически исключает чувствительность к поляризации света (Roberts et al., 2011). Несмотря на существование исследований, демонстрирующих поведенческую реакцию на изменение поляризации света у птиц (Muheim, 2011; Åkesson, 2014), в настоящее время корректность использованных в них экспериментальных протоколов подвергается сомнению. В частности, Мелгар и соавт. (Melgar et al., 2015) провели исследование, по результатам которого утверждают, что восприятия поляризации света как отдельного стимула у птиц обнаружить не удается; там же они выражают сомнение в корректности трактовки экспериментальных результатов прошлых лет. Следует отметить, что задача отделить в эксперименте реакцию на изменение поляризации света от реакции на изменение освещенности является весьма сложной. Имеющиеся положительные результаты вполне могут быть объяснены ответом на изменение интенсивности света.

Следует отметить, что у некоторых животных, в том числе у птиц, существует и другой тип фоторецепторов, локализованных в пинеальном органе головного мозга – пинеалоциты, которые также могли бы претендовать на роль магниторецепторных клеток (Collin, Oksche, 1981; Bailey, Cassone, 2005). Однако было показано, что хирургическое удаление пинеального органа у мухоловок-пеструшек (Ficedula hypoleuca) при поддержании циркадных ритмов ежедневными инъекциями мелатонина не вызывает нарушений ориентационного поведения (Schneider et al., 1994). Более того, для птиц локализована функциональная область, предположительно отвечающая за обработку магниторецепторного сигнала – часть зрительного гиперпаллиума (аналог зрительной коры млекопитающих), получившая название “кластер N” (Mouritsen et al., 2005; Heyers et al., 2007). Кластер N получает сигнал от сетчатки по таламофугальному зрительному пути через латеральное коленчатое тело таламуса. Его разрушение химическим воздействием (путем введения холерного токсина) приводило к потере способности к ориентации по магнитному полю у зарянок (Zapka et al., 2009). Следует заметить, что кластер N – не анатомически выделяемая структура, а функциональная область зрительного гиперпаллиума птиц (Heyers et al., 2022). Эти данные также указывают на то, что наиболее вероятным местом локализации магниторецепторной функции у птиц является сетчатка глаза.

Электрофизиологические исследования, направленные на поиск механизма магнитного компаса в сетчатке

Хотя идея о применении электрофизиологического подхода для решения имеющихся вопросов в области светочувствительного магнитного компаса у птиц напрашивалась в последние годы, до недавнего времени из опубликованных работ в этой нише можно было назвать только цикл электрофизиологических исследований структур зрительных путей в мозге, выполненных Семмом, Бисоном и Демайном в 1980-х годах. Авторы показали, что значительная (70%) часть нейронов оптического тектума (аналог верхнего двухолмия млекопитающих) голубя (Semm, Demaine, 1986) и ветви тройничного нерва рисового трупиала Dolichonyx oryzivorus (Beason, Semm 1987; Semm, Beason, 1990) проявляет чувствительность к направлению внешнего магнитного поля, а некоторые ответы зависели от длины волны освещения. Однако в более позднем исследовании на большой выборке птиц эти результаты не удалось воспроизвести в аналогичных экспериментах (Ramírez et al., 2014), что ставит под сомнение их релевантность.

Насколько нам известно, первые опубликованные работы по электрофизиологии магниторецепции в сетчатке птиц были выполнены нашей группой. В цикле работ мы проверяли, может ли изменение направления магнитного поля влиять на фотоответы сетчатки птиц. В качестве метода исследования был выбран метод электроретинографического отведения от изолированной сетчатки птиц, при этом изменение направления магнитного поля сочеталось с синими или красными вспышками света для возбуждения фотоответа. В первых двух из этого цикла работ (Rotov et al., 2018; 2020) такой экспериментальный протокол был применен к сетчатке голубей, которые хоть и не являются перелетными птицами, все же предположительно пользуются магнитным компасом при хоминге (Walcott, Green, 1974). Было показано, что амплитуда тотального ответа сетчатки голубя на вспышки синего, но не красного света, зависит от того, параллелен или перпендикулярен плоскости сетчатки вектор магнитного поля в момент регистрации такого ответа; эффект был небольшим, но статически значимым. При более детальном изучении влияния направления магнитного поля на выделенный фоторецепторный ответ сетчатки голубя было показано, что данный компонент электроретинограммы в ответ на синие вспышки не зависит от направления магнитного поля. Результат можно было бы объяснить тем, что в данной работе фоторецепторный ответ был представлен главным образом палочковым компонентом. В дальнейших исследованиях нашей группы (Astakhova et al., 2020б; Rotov et al., 2022) аналогичным образом были исследованы эффекты магнитного поля на фотоответы сетчатки зарянки, которая является ночным мигрантом и классической моделью в поведенческих исследованиях магнитного компаса птиц. В двух данных работах сетчатки разделялись на четыре части, как принято в гистологических исследованиях – на назальный, вентральный, темпоральный и дорсальный квадранты. Такое деление имеет смысл, так как в жизни в зрительных процессах такие области могут выполнять несколько различающуюся функцию (из-за разности попадающего на эти области изображения), и было сделано предположение, что такие области также могут иметь разное отношение к магниторецепции. Это предположение оправдалось и эффект направления магнитного поля был выявлен только на амплитуду ЭРГ-ответов на синие вспышки и только в назальном квадранте сетчатки зарянок. Кроме того, было выявлено, что эффект магнитного поля обнаруживается только при предъявлении умеренно интенсивных синих вспышек, а при превышении определенной интенсивности стимула данный эффект не обнаруживался.

В целом описанные результаты серии электрофизиологических исследований хорошо согласуются с результатами большого пула поведенческих работ по светозависимости магнитного компаса птиц: так и в поведенческих экспериментах разные виды птиц были дезориентированы при длинноволновом свете (красный, желтый), но сохраняли способность ориентироваться в магнитном поле при коротковолновом освещении (зеленый, синий, фиолетовый и УФ) (Munro et al., 1997; Rappl et al., 2000), и, кроме того, также теряли способность ориентироваться при коротковолновом, но более интенсивном освещении (Muheim et al., 2002; Johnsen et al., 2007).

Морфологические исследования сетчатки птиц, связанные с поиском возможных клеток-магниторецепторов

В последние годы среди научных групп, которые заняты исследованием механизма магнитного компаса птиц, заметные усилия были направлены также и на изучение особенностей морфологии сетчатки разных видов, которые могли бы пролить свет на то, какие клетки или структуры могли бы стать морфологической основой магниторецепции (Seth et al., 2021). В опубликованных к сегодняшнему дню морфологических исследованиях потенциальных магниторецепторных клеток наибольшее внимание было уделено двойным колбочкам и путям передачи их сигнала в сетчатке птиц, поскольку предполагается, что они задействованы не в цветовом зрении, а выполняют другие функции (Kirschfeld, 1998). Одной из таких работ является исследование Гюнтер и соавт. (Günther et al., 2021), где изучались взаимосвязи между разными типами колбочек, в первую очередь двойными колбочками, и вторыми нейронами сетчатки – биполярными клетками – у цыплят методом многолучевой сканирующей электронной микроскопии серийных срезов. Авторы показали, что двойные колбочки имеют тесные и многочисленные контакты с соседними двойными колбочками, кроме того, было идентифицировано 15 типов биполярных клеток, 13 из которых образуют контакты по меньшей мере с одним из членов двойных колбочек. Детальная реконструкция индивидуальных двойных колбочек показала, что основной и вспомогательный ее члены соединены структурой, напоминающей плотный щелевой контакт. По мнению авторов, такой плотный щелевой контакт мог бы закрываться при условиях, когда более значимым стимулом становится магниторецепторный, чем зрительный сигнал, т.е. во время восприятия магнитного стимула члены двойной колбочки могут работать относительно независимо.

В другом исследовании этой же группы (Chetverikova et al., 2022) авторы задались вопросом, образуют ли двойные колбочки регулярную мозаику в сетчатке перелетных птиц (зарянок), поскольку это является важным условием для выполнения данным типом колбочек магниторецепторной функции. В работе двойные колбочки визуализировались иммуногистохимическим способом (антителом, которое связывается с кальбиндином – надежным селективным маркером двойных колбочек) и далее снимки, полученные с препарата целой сетчатки, анализировались на предмет регулярности расположения соседних пар двойных колбочек. Результаты исследования указывают на то, что массив двойных колбочек в высокой степени регулярен, и угол между соседними двойными колбочками в центральных областях сетчатки приближается к 90°/–90°, а в периферических областях 180°/0°. Авторы заключают, что если предположить регулярное и одинаковое выстраивание Cry4 в обоих членах двойных колбочек (основном и вспомогательном), то регулярная мозаика соседних двойных колбочек, наблюдаемая на периферии сетчатки зарянки и домашней курицы, должна способствовать выполнению данной зоной магниторецепторной функции.

Еще одно любопытное морфологическое наблюдение в сетчатке зарянки было сделано в работе нашей группы (Rotov et al., 2022). Первоначально обнаружив, что эффект на изменение направления магнитного поля в электрофизиологической части исследования демонстрировал только назальный квадрант сетчатки зарянки, мы задались вопросом, чем он может отличаться от других квадрантов в морфологическом аспекте. Неожиданно было обнаружено, что в назальном квадранте (и прилежащей части вентрального квадранта) бледно-желтые масляные капли двойных колбочек имеют более интенсивную окраску, чем масляные капли этого же типа колбочек в других зонах сетчатки. Данный феномен был показан при помощи световой микроскопии, а примененный дополнительно метод микроспектрофотометрии (позволяющий регистрировать спектры отдельных субклеточных структур) выявил статистически значимое смещение поглощения масляных капель двойных колбочек в назальном квадранте в длинноволновую область. На микроскопических снимках мы также обнаружили, что по меньшей мере в части двойных колбочек зарянки вспомогательный член, в отличие от основного, не содержит масляной капли. Интенсивно окрашенная желтоватая капля могла бы блокировать прохождение коротковолнового света к наружному сегменту основного члена двойной колбочки, тогда как наружный сегмент вспомогательного члена получает свет полного спектра и мог бы работать как магниторецептор. В этом случае для адекватной реализации магниточувствительности потребуется два дополнительных члена двойных колбочек, расположенных в определенной ориентации друг относительно друга, что согласуется с данными о регулярности в расположении двойных колбочек на периферии сетчатки зарянки (Chetverikova et al., 2022).

Перспективы дальнейших поисков магниторецепторной клетки

В настоящее время конкретные клетки – рецепторы магнитного поля в сетчатке птиц не установлены надежно, хотя ряд экспериментальных данных указывают на двойные или УФ-чувствительные колбочки. Их роль в магниторецепции, несомненно, требует прямой экспериментальной проверки. Очевидным решением этой проблемы представляется проведение экспериментов на птицах с нокаутом криптохромов, для которых предполагается роль первичных молекулярных сенсоров магнитного поля: Cry4 для проверки роли двойных колбочек, и Cry1а для УФ-чувствительных колбочек. Однако генетические манипуляции на птицах существенно усложняются труднодоступностью и сложным строением их зиготы, хотя в настоящее время и существуют подходы к решению этих проблем (Woodcock et al., 2017). Другой важной проблемой является тот факт, что мигрирующие воробьиные птицы, для которых надежно установлено наличие магниточувствительности, не размножаются в лабораторных условиях, а результаты поведенческих экспериментов на доступных в лаборатории видах (курицах, голубях и зебровых амадинах) могут иметь неоднозначную трактовку.

Другим важным направлением является регистрация ответов отдельных клеток сетчатки с целью поиска той популяции, что реагирует на магнитную стимуляцию. Регистрация электрических ответов отдельных ганглиозных клеток при помощи мультиэлектродных матриц кажется привлекательным методом, однако показано, что артефакты, вызванные быстрыми изменениями магнитного стимула, могут имитировать по форме спайки нейронов, тем самым затрудняя анализ данных (Ahlers et al., 2022). Однако авторы этого исследования также показали, что эти индукционные артефакты возможно четко отделить от нейронных ответов, если учесть их пространственно-временные характеристики, что дает надежду на скорое получение новых электрофизиологических данных. Альтернативой прямым записям электрических ответов клеток является кальциевый имиджинг – технология, позволяющая регистрировать их активность по изменению внутриклеточной концентрации ионов Ca²⁺. При этом регистрируется интенсивность флуоресценции, которая не подвержена индукционным артефактам от переменного магнитного поля. Хотя имиджинг сетчатки, самой по себе являющейся светочувствительной тканью, кажется трудной задачей, к настоящему времени отработаны протоколы, позволяющие проводить подобные эксперименты на сетчатке млекопитающих (Briggman, Euler, 2011; Euler et al., 2019), что делает эту методику весьма перспективной.

Поскольку ганглиозные клетки, вероятно, не являются первичными сенсорами магнитного поля, данные об их активности в меняющемся магнитном поле позволят в ближайшем будущем лишь сузить круг поиска магниторецептора среди нейронов наружных слоев сетчатки. Задача же однозначного определения первичной клетки-рецептора, по всей видимости, потребует применения принципиально новых методических подходов и ее решение может занять ближайшие несколько лет.